La spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS) appliquée au test «3-min all-out» et ses concomitants physiologiques dans l'évaluation de vététistes élites

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

MÉMOIRE PRÉSENTÉ À

L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES

COMME EXIGENCE PARTIELLE

DE LA MAÎTRISE EN SCIENCES DE L'ACTIVITÉ PHYSIQUE (3407)

PAR

HATEM ZIADIA

LA SPECTROSCOPIE DANS LE PROCHE INFRAROUGE (NIRS) APPLIQU

ÉE

AU TEST «3-MIN ALL-OUT» ET SES CONCOMITANTS PHYSIOLOGIQUES

DANS L'EVALUATION DE VETETISTES ELITES

.

Université du Québec à Trois-Rivières

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autorisation.

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

À TROIS-RIVIÈRES

MAÎTRISE EN SCIENCES DE L'ACTIVITÉ PHYSIQUE

Ce mémoire a été dirigé par:

Claude LAJOIE, Ph.D.

UQTR

directeur de recherche, grade Rattachement institutionnel

Vincent CANTIN, Ph.D.

UQTR

codirecteur de recherche, grade Rattachement institutionnel

Jury d'évaluation du mémoire:

Claude LAJOIE, Ph.D.

UQTR

Prénom et nom, grade Rattachement institutionnel

François TRUDEAU, Ph.D.

UQTR

Prénom et nom, grade Rattachement institutionnel

Olivier SERRESSE, professeur agrégé

Université Laurentienne

RÉSUMÉ

Contexte: La pratique du vélo de montagne (VTT) compétitif requiert des efforts physiques qui varient en puissance (Watts) et sollicitent plusieurs systèmes énergétiques. Le test de puissance critique de 3 minutes (PC3) de Burnley et coll. (2006) permet d'évaluer le pic du volume d'oxygène consommé _{(V02PiC) et la puissance critique (PC), deux paramètres qui} caractérisent le système énergétique aérobie. De plus, il permet d'apprécier la puissance pic (Ppic) et la capacité anaérobie (W'), deux paramètres qui caractérisent la puissance et la capacité du système anaérobie. Comparativement aux tests traditionnels de PAM, le test de PC3 permettrait de mieux apprécier diverses capacités physiques des vététistes élites. Objectifs: Caractériser les réponses cardiorespiratoires, la puissance de travail déployée, l'extraction et le transport d'oxygène dans le muscle vaste latéral durant un test de PC3 et un test de PAM chez des vététistes élites. Méthodes: Six vététistes élites et deux cyclistes de route hommes (moyenne ± écart-type): âge 21,25 ± 2,55 ans; taille 178,6 ± 7,03 cm; poids 68,04 ± 5,03 kg; pourcentage de graisse corporelle 7,19 ± 3,23 et _{V02max 72,01 ± 3,68} ml·min-1·kg-1 ont réalisé un test progressif de PAM et un test de PC3 lors d'une seule présence au laboratoire. Le test PAM a pour objectif de déterminer la consommation maximale d'oxygène (V02max) et la puissance aérobie maximale (PAM) en watts. Le protocole de ce test est progressif avec charge croissante (30 Watts) chaque 5 minutes. Les périodes de charge sont entrecoupées par des périodes de récupération d'une durée de 3 minutes à faible charge (1 watt/kg de poids corporel) jusqu'à épuisement. Le test PC3 vise à déterminer le pic de la consommation d'oxygène (V02PiC)' la puissance critique (PC), le pic de la puissance (Ppic) et la capacité anaérobie (W'). Au cours du test PC3, les cyclistes devaient pédaler avec le maximum de puissance et à la plus grande cadence pour obtenir le plus haut taux de travail possible pendant tout l'essai. La puissance de pédalage, le V02 et la lactatémie ont été mesurés. La désoxyhémoglobine (HHb) et l'hémoglobine totale (THb) étaient évalués par spectroscopie dans le proche infrarouge «SPIR». Résultats: Malgré les

puissances supra maximales déployées durant le test PC3, aucun des paramètres mesurés par SPIR lors du test PC3 n'a pu atteindre des niveaux supérieurs à ce qui était enregistré lors du test PAM. Cependant, on a pu observer une variation opposée entre le THb et la puissance de pédalage lors du test PC3 c'est-à-dire une augmentation de la puissance de pédalage accompagnée par une diminution du THb et inversement (r

=

-0,99 ; P < 0,001). Durant le test PC3, les participants ont atteint 95% de leurs V02piC à 54,33 ± 8,16 secondes du début du test. Le

V0

2PiC a été atteint à 147,5

± 36,55 secondes et était équivalent à

96,57% du

V02P

iC enregistré lors du test PAM, représentant une différence de 3,43%. Le

V02PiC

obtenu lors du test PC3 (69,54

± 5,46 ml.min-

1

.kg-1) et celui obtenu lors du test PAM (72,01. ± 3,68 ml.min-1.kg-1) étaient comparables (p ::::; 0,20). La Ppic enregistrée lors du test PC3 était égale à 846,3 ± 175,4 W soit 228,49% de la PAM. La PC était égale à 351,1

±

59,62 W soit 93,63% de la PAM (375 ± 44,16 W). On n'a pas observé de différence significative entre la PC et la PAM (p = 0,08). La capacité anaérobie (W') évaluée lors du test PC3 était égale à 18,307 ± 3,71 KJ. Une forte corrélation entre la PAM/poids corporel lors du test PAM et la W'/poids corporel lors du test PC3 était enregistré (r

=

0,886; P < 0,05). Conclusion: Malgré les puissances supra-maximales déployées lors du test PC3, le muscle vaste latéral n'a pas pu extraire plus d'oxygène ni mobiliser un plus grand débit sanguin local par rapport à un test de PAM classique. Lors du test PC3, on a pu enregistrer une variation inversée entre la puissance de pédalage déployée et la diffusion du sang à l'intérieur du muscle squelettique. Chez des vététistes élites, les valeurs des paramètres cardiorespiratoires et musculaires atteintes lors du test PC3 étaient semblables à celles enregistrées lors d'un test de PAM. Plus expéditif que les tests traditionnels, le test PC3 a permis non seulement d'estimer la PAM, mais aussi de quantifier le travail anaérobie afin de mieux cerner les forces et faiblesses des athlètes. De plus, le test PC3 s'est avéré un moyen fiable pour la prédiction de la performance.

REMERCIMENTS

A mes directeurs de mémoire: Dr. CLAUDE LAJOIE ET Dr. VINCENT CANTIN

Je vous remercie vivement pour votre aide dans la réalisation de ce travail et

je suis vraiment très honoré d'avoir collaboré avec vous. J'apprécie beaucoup votre

modestie, votre disponibilité et vos grandes qualités scientifiques et humaines.

Puisse ce travail vous satisfaire et vous refléter ma haute considération.

A Dr. LOUIS LAURENCELLE

Je suis sensiblement touché par l'honneur que vous me faites en vous

intéressant à ce sujet de mémoire. J'ai pour vous, l'estime et le respect qu'imposent

votre compétence, votre sérieux et votre richesse humaine. Veillez trouver ici,

l'assurance de ma profonde reconnaissance.

A MES PROFESSEURS MEMBRES DU JURY

Messieurs, vous nous faites le grand honneur de siéger dans le jury de mon

travail. J'ai eu le privilège de bénéficier de votre enseignement clair et riche au cours

de notre formation. Veuillez trouver ici, la preuve de notre grande admiration et de

notre reconnaissance infinie.

A TOUTE MA FAMILLE

Ce travail n'aurait pu aboutir sans l'aide et la patience de mon adorable

épouse EMNA qui m'a énormément aidé pendant ces années. J'adresse une pensée

particulière à l'âme de mon père et à ma mère qui m'auront permis de poursuivre

mes études jusqu'à aujourd'hui. Ces remerciements ne seraient pas complets sans

une pensée pour mon petit fils SKANDER qui a constitué ma source de motivation et

d'espoir.

TABLE DES MATIÈRES

Page

RÉSUMÉ ... i

REMERCIMENT ... : ... iii

TABLE DES MATIÈRES ... iv

LISTE DES FIGURES ... vi

LISTE DES TABLEAUX ... vii

LISTE DES ABRÉVIATIONS ... viii

CHAPITRES

1. INTRODUCTION ... 1

2. CADRE THÉORIQUE ... 4

2.1. Le vélo de montagne (VTT) de compétition de type cross-country ... 4

2.2 Exigences physiques en VTT ... 5

2.3. Exigences physiologiques en VTT ... 6

2.4. La consommation maximale d'oxygène et choix des protocoles d'évaluation ... 8

2.5. Épreuve de puissance critique en 3 minutes ou test « 3-min ali-out» ... 9

2.6 La spectroscopie dans le proche infrarouge (SPIR) ... 11

2.7. L'oxygénation du muscle vaste, latéral à l'efforL ... 13

2.8. Réponse du réseau capillaire à l'entraînement et son effet sur l'oxygénation du muscle vaste latéral ... 15

3. PROBLÉMATIQUE ... 18

4. QUESTIONS DE RECHERCHE ... 20

6. ARTICLE: The near infrared spectroscopy (NIRS) applied to a 3-min ali-out

test and its physiological concomitants in elite cyclists' evaluation ... 22

6.1. Abstract ... 23

6.2. Introduction ... 26

6.3. Materials and methods ... 28

6.3.1. Participants ... 28

6.3.2. Experimental protocol ... 28

6.3.3. Equipments ... 29

6.3.4. Test 1: Maximal aerobic power test (MAP and _{V02max) ...} 30

6.3.5. Test 2: 3-min ali-out test ... 31

6.4. Statistical analysis ... 31

6.5. Results ... 32

6.5.1. MAP test results ... 32

6.5.2. 3-min ali-out test results ... 35

6.5.3. Peak fv1AP test measures vs. peak 3-min ali-out test measures ... 39

6.5.4 NIRS response at V02peak ... 41

6.6. Discussion ... 42 6.7. Conclusion ... 46 6.8 Competing interests ... 47 6.9. Authors' contribution ... ; ... 47 6.10. References ... 48 CONCLUSIONS GÉNÉRALES ... 51 RÉFÉRENCES GÉNÉRALES ... 52 ANNEXES ... 57

LISTE DES FIGURES

Figures Page

2.1. (A) la puissance de travail et (B) la consommation d'oxygène au cours d'un test PC3

chez un sujet représentatif ... 10

2.2. Spectre lumineux proche infrarouge ... 12

2.3. Émission et réception du signal proche infrarouge à travers le muscle ... 13

2.4. Évolution de l'Hb02/Hbtot en fonction de la puissance (%V02max) ... 15

2.5. Réponses du réseau capillaire à l'entraînement. ... 16

2.6. Relations linéaires existant entre la densité volumique mitochondriale et la densité volumique des capillaires ... 17

6.1. Changes in skeletal muscle oxyhemoglobin (LlHb02), skeletal muscle deoxyhemoglobin (LlHHb), skeletal muscle total hemoglobin (Ll THb) and skeletal muscle tissue saturation index (LlTSI%) vs % peak oxygen uptake (% V02peak) at MAP test (average results) ... 33

6.2. Individual changes in oxygen uptake (V02), lactatemia [BLa], skeletal muscle oxyhemoglobin (LlHb02), skeletal muscle deoxyhemoglobin (LlHHb), skeletal muscle total hemoglobin (LlTHb) and skeletal muscle tissue saturation index (LlTSI%) at MAP test. ... 34

6.3. Changes in A. Power output (Power), B. oxygen uptake (V02), C. pulmonary ventilation (Ve), D.: heart rate (HR) during the 3-min ali-out test (average results) ... 37

6.4. Changes in A. power output (Power), B. skeletal muscle oxyhemoglobin (LlHb02), C. skeletal muscle deoxyhemoglobin (LlHHb), D.nskeletal muscle total hemoglobin (LlTHb) and E. skeletal muscle tissue saturation index (LlTSI%) during the 3-min all-out test (average results) ... 38

6.5. Mean power output vs groupe mean d THb during 3-min ali-out test. Power, Power output and d THb, skeletal muscle total hemoglobin ... 40

LISTE DES TABLEAUX

Tableaux Page

2.1. Consommation maximale d'oxygène (V02max) et caractéristiques anthropométriques des vététistes rapportées dans la littérature ... 7 2.2. Réponses des vététistes et cyclistes sur route à l'exercice maximal ... 8 2.3. Mesure des paramètres d'évaluation physiologiques à la fin des tests PAM et PC3 ... 11 6.1. Correlation between NI RS parameters with V02 and pedaling power in % V02peak .... 32 6.2. Correlation between NIRS parameters with V02 , HR and pedaling power at

3-min ali-out test ... 36 6.3. Peak physiological responses during the MAP test and 3-min ali-out tests ... .40 6.4. The individual results of MAP during MAP test and the anaerobic capacity during the

test 3-min ali-out test ... 41 6.5. NIRS parameters at V02peak in MAP test and 3-min ali-out tests ... .41

LISTE DES ABRÉVIATIONS

%Sa02 : Pourcentage de la saturation artérielle en oxygène. ATP : Adénosine triphosphate.

Bpm : Battements, cardiaques par minute.

OC : Débit cardiaque (volume de sang éjecté en litres par minute).

FC : Fréquence cardiaque.

FCmax : Fréquence cardiaque maximale.

FCmoy : Fréquence Cardiaque moyenne.

Hb : Hémoglobine.

HHb : Déoxy-hémoglobine.

Mb : Myoglobine.

mL.kgo1.mino1 : millilitres par kilogramme de masse corporelle par minute.

mM : Millimoles par litre.

NIRS: Near InfraRed Spectroscopy. O2 : Oxygène.

Hb02 : Oxy-hémoglobine.

PAM: Puissance aérobie maximale. PCr : PhosphoCréatine.

PC3 : Puissance Critique en 3 minutes.

PC : Puissance Critique.

Pméca : Puissance mécanique exprimée en watts.

QR : Quotient d'échange respiratoire.

Rpm : Révolutions par minute.

RPMmoy : Révolutions par minute moyenne.

SL : Seuil Lactique.

SV : Seuil Ventilatoire.

THb: Hémoglobine Totale.

TSI% : Saturation du muscle en oxygène.

UCI: Union Cycliste Internationale.

V0

2 : Consommation d'oxygène.

Ve :

Ventilation pulmonaire.

V0

2max : Consommation maximale d'oxygène.

V0

2PlC : Consommation d'oxygène pic.

VTT: Vélo tout terrain.

1. INTRODUCTION

L'entraînement physique visant l'amélioration de la performance sportive en endurance est un défi complexe qui nécessite l'analyse des facteurs physiologiques limitatifs de l'athlète. Cela revient à prendre en considération un ensemble de facteurs qui agissent en interaction, à savoir, l'analyse de la discipline sportive en termes d'exigence physique, le degré d'implication des filières énergétiques, la connaissance des adaptations physiologiques consécutives à l'entraînement et enfin, la gestion de la fatigue et du surentraînement. Afin de réaliser des gains en performance, il est utile d'évaluer les athlètes pour mieux préciser les charges d'entraînement. Aujourd'hui, avec la venue des capteurs de puissance installés sur le vélo personnel des athlètes, il est d'usage d'évaluer la capacité des athlètes à soutenir des charges de travail représentant tous les systèmes énergétiques. En effet, à la lumière des résultats de courses de vélo de montagne effectuées sur les terrains de compétition, nous savons aujourd'hui que les charges de travail sont très variables, allant de niveaux sous-maximaux à supra-maximaux (Dufresne 2012).

Généralement, dans un processus d'évaluation de la condition physique, il est indispensable de passer par deux tests qui mesurent de façon spécifique et indépendante les composantes des systèmes énergétiques aérobie et anaérobie. D'habitude, l'évaluation de la composante aérobie passe par l'évaluation de la consommation maximale d'oxygène (V02max) qui se définit comme la quantité maximale d'oxygène qui peut être utilisée par le corps par unité de temps (Impellizzeri et coll. 2007; Wilmore et Costill, 2002). Les puissances de travail associées au V02max et au seuil lactique sont considérées comme étant de bons prédicteurs de la performance aérobie chez l'humain (Bentley et coll. 1998, Coyle et coll. 1991, Coyle et coll. 1988, Faria et coll. 2005 a-b, Gregory et coll. 2007). D'autre part, l'évaluation de la filière énergétique anaérobie passe par l'évaluation de la puissance et la

capacité du métabolisme anaérobie. La puissance anaérobie présente le taux maximal d'énergie pouvant être développé d'une manière anaérobie dans un laps de temps donné (Wilmore et Costill 2002). La capacité anaérobie se définit comme la quantité maximale d'énergie développée d'une manière anaérobie jusqu'à l'épuisement des substrats

indépendamment de la durée de l'exercice (Noordhof et coll. 2013). Le système énergétique

anaérobie est sollicité lors d'actions motrices très intenses sur des périodes de temps assez

courtes de moins de 2 minutes.

L'évaluation physique des athlètes élites de haut niveau est une tâche difficile vu que

ces derniers ne peuvent pas être disponibles pour se présenter plusieurs fois au laboratoire.

En vélo tout-terrain (VTT) par exemple, une discipline qui sollicite plusieurs systèmes

énergétiques, les vététistes élites proviennent souvent de régions éloignées en plus qu'ils

sont couramment à l'extérieur du pays. Sinon leur plan d'entraînement très chargé ne le

permet tout simplement pas. De ce fait vient l'intérêt d'utiliser un test qui puisse mesurer à la

fois les deux composantes des systèmes énergétiques aérobie et anaérobie. Le test de

puissance critique de 3 minutes (PC3) de Burnley et coll. (2006) a été utilisé pour l'évaluation

de ces deux composantes énergétiques. Plus précisément, le test PC3 permet d'apprécier le

V0

_{2PiC qui présente la mesure la plus élevée du}

V0

_{2 obtenue lors d'un test maximal (Rowell}

1974) et la puissance critique (PC) qui se définit comme la puissance à laquelle le système aérobie satisfait totalement à la demande énergétique en travaillant à son maximum

(Moritani et coll. 1981). Lors du test PC3, la PC est équivalente à la puissance moyenne des

30 dernières secondes de l'épreuve (Burnley et coll. 2006, Johnson et coll. 2011, Vanhatalo

et coll. 2007). D'autre part, le test PC3 permet d'évaluer la puissance pic (PpiC) qui représente

la puissance la plus élevée enregistrée lors de ce test. De plus, le test PC3 permet d'estimer

le travail exécuté de façon anaérobie (W') qui traduit la capacité anaérobie. La procédure du

test de PC3 consiste à développer le plus de puissance possible pendant 3 minutes. Depuis

Grassi et coll. 1999; Kawaguchi et coll. 2001). Le test PC3 permet de minimiser le nombre de visites des athlètes au laboratoire tout en produisant une évaluation précise des composantes aérobie et anaérobie.

2. CADRE THÉORIQUE

2.1. Le vélo de montagne (VTT) de compétition de type cross-country De 1980 à nos jours, un réseau de courses international a été mis en place par l'Union Cycliste Internationale (UCI). Les premières compétitions de vélo tout terrain (VTT) cross-country (XC) se sont déroulées au début des années 80 (Joyner et Coyle 2008; Laursen et coll. 2002; Padilla et coll. 1999; Stepto et coll. 1999). En 1996, le VTT a été introduit aux Jeux olympiques d'été à Atlanta et les courses de VTT se caractérisaient par un nombre défini de tours, variant de 4 à 6, pour une distance de 5 et 9 kilomètres par tour pour une durée totale comprise entre 1 h30 et 2h15 d'effort continu. Aujourd'hui, les parcours ont changé, les tours sont plus courts et la durée totale varie entre 1 h30 et 1 h45.

En termes de durée, les exigences physiques se comparent à certaines autres disciplines telles que le marathon, le triathlon de distance olympique et certaines épreuves contre-la-montre de cyclisme sur route où un effort continu est nécessaire. Par contre, les courses de VTT nécessitent des efforts physiques qui sont beaucoup plus variables à cause des exigences imposées par le relief du parcours. Chaque compétition commence par un départ collectif où les athlètes rassemblés doivent réaliser un démarrage explosif, qui nécessite beaucoup de puissance, afin de se démarquer dès le début de la course, pour éviter les engorgements lors des passages techniques. Habituellement, un parcours de course de VTT comportant des routes et chemins forestiers, des champs, des chemins de terre ou de gravier qui présentent un nombre important de montées et descentes. Bien que les données physiologiques pour les cyclistes de route de niveau international soient abondamment rapportées, on trouve relativement peu de données physiologiques pour le VTT malgré son inclusion aux Jeux olympiques de 1996 (Dufresne 2012, Impellizzeri et coll. 2007, 2005).

2.2.

Exigences physiques en VTT

En 2009, lors du championnat canadien de vélo de montagne tenu à St-Félicien (Oc), une analyse du parcours de compétition a été faite par notre laboratoire à l'aide d'un capteur de puissance Powertap SL + (Saris Cycling Group, Madison, WI, USA) installé sur la roue arrière d'un vélo de montagne. Cet appareillage a permis d'estimer la distribution de la puissance de travail tout au long de la compétition chez un vététiste élite. Le parcours était d'une longueur de 6,63 km et les athlètes avaient à compléter 5 tours pour une distance totale de 33,15 km. Le temps de parcours de l'athlète cible était d'environ 2 heures et sa puissance moyenne, lors de cette épreuve était de 279 Watts correspondant

à

75% de sa puissance aérobie maximale (PAM

=

370 Watts). L'analyse des résultats de la compétition a aussi révélé que 35% (42 min) du temps total de la course, étaient réalisés entre 100% et 121% de la PAM sous forme de 120 sections d'effort variant de 5

à

53 secondes (résultats non publiés).

Le départ en cross-country est collectif, les vététistes doivent réaliser un démarrage explosif qui nécessite beaucoup de puissance dans le but de se démarquer et de prendre une position favorable en tête de peloton. D'après l'analyse du parcours de St-Félicien, notre participant a atteint lors de son départ une puissance égale

à

1038 Watts soit 2,8 fois sa PAM. D'autre part, pour préserver une position favorable devant le peloton, en plus des grandes qualités techniques, un vététiste se doit de maintenir une grande puissance de travail le plus longtemps possible, afin de se positionner avantageusement, ce qui pourrait permettre à certains athlètes de se distinguer par rapport à d'autres qui ont une PAM similaire. Il faut dire que, lors de ces deux phases de la course (départ et parcours), le métabolisme physiologique en lien avec la puissance de travail n'est pas le même. En effet, dans ces deux types d'effort, la puissance ne nécessite pas la mise en jeu des mêmes mécanismes physiologiques. Lors du départ, l'athlète doit générer de la puissance musculaire anaérobie alors que, durant la course, sont sollicités les systèmes énergétiques

mixtes qui majoritairement impliquent le métabolisme aérobie. Autrement dit, sur une même durée d'effort donnée, le plus puissant est celui qui roule le plus vite et à l'inverse, le plus endurant est celui qui est capable de maintenir cette puissance le plus longtemps possible.

Pour résumer, la couse de vélo de montagne est une discipline qui demande beaucoup de technique mais aussi un effort continu plus ou moins régulier, au-delà du départ qui est très rapide et exigeant. Il est fréquent de devoir faire de gros efforts

entrecoupés d'efforts plus légers, comme lors des descentes.

2.3.

Exigences physiologiques en VTT

Lors de l'analyse du parcours de St-Félicien, on a pu observer que la compétition de vélo de montagne requiert des efforts plus ou moins brefs à des puissances de travail au-delà de la PAM à cause des exigences du parcours. Lors de ces efforts, le vététiste doit être

en mesure de fournir de la puissance mécanique (Pméca ) en s'efforçant de maintenir le

renouvellement de l'adénosine triphosphate (ATP) à partir des différents systèmes énergétiques. L'évaluation de la quantité d'énergie consommée par l'organisme est possible

à travers la mesure du V02 et du travail produit. Pour ce faire, il faut considérer que le

métabolisme aérobie en début d'effort évolue selon différentes cinétiques. En effet, le V02

augmente de façon régulière avec l'augmentation de la puissance de travail jusqu'à l'atteinte d'une capacité maximale de production d'ATP par les voies métaboliques aérobies

équivalentes à un volume maximal d'oxygène dit V02max• Au-delà et pour des puissances

supra maximales, c'est-à-dire supérieures à la PAM, la Pméca développée excédera la

puissance métabolique maximale du système énergétique aérobie. La production d'ATP lors de cette phase dépend des sources d'ATP dites anaérobies fournies par le système ATP-Phospho-Créatine (PCr) et principalement par la glycolyse anaérobie. La puissance énergétique pour le renouvellement de l''ATP lors de cette phase est très élevée, alors que sa capacité énergétique est très limitée et l'exercice ne peut être soutenu que durant

quelques secondes, voire 1

à

2 minutes. Afin de quantifier la quantité d'énergie au début d'une épreuve supra-maximale, il faut mesurer l'évolution de la consommation d'oxygène afin de la différencier.

De ce fait, l'évaluation du V02max est couramment utilisée afin d'évaluer l'aptitude physique des athlètes grâce à la détermination des paramètres maximaux (V02max et PAM) et sous-maximaux (seuil ventilatoire (SV) et le seuil lactique (SL». Ceci peut apporter des indications sur l'efficacité de l'organisme à produire de l'énergie. Pour les athlètes élites spécialistes en VTT, des études ont caractérisé leur profil, et les valeurs de V02max présentées dans la littérature varient entre 66,5 et 78,3 ml.min-1.kg-1 (tableau 2.1).

Tableau 2.1. Consommation maximale d'oxygène (V02max) et caractéristiques anthropométriques des

vététistes rapportées dans la littérature (Impellizzeri et Marcora 2007).

Des études comparatives entre les caractéristiques physiologiques des vététistes élites et des cyclistes de route de haut niveau ont révélé une grande similitude. En effet, le V02max moyen chez des cyclistes de route, spécialistes de la montagne, était de 80,9 ml.

min-1.kg-1 alors qu'il était de 78,9 ml.min-1.kg-1 pour des cyclistes qui ont des habiletés sur les

terrains variés (Padilla et coll. 1999). Le tableau 2.2 présente une comparaison détaillée des variables de puissance mécanique et physiologiques entre des vététistes et des cyclistes de route en réponse à un exercice maximal (Lee et coll. 2002).

Tableau 2.2. Réponses des vététistes et cyclistes de route à l'exercice maximal (Lee et coll. 2002) . . -.... ---... . ... _ ...

MouutaÎn blkers Road cyclisrs Wmn(\V)

41.3±3Q

(35s,..4~5)

<I

:

n±

12 (410-45Q)

W'mn

(\V'kg~l)

6.3 ±nJ

(6.0-7.3) 5.8 ± 0.3 (5A ... 6.3)

1:·O~ru.

(

1

'IDfu"l)

5.1±{t5

(4.3-5.6) 5.4± 0.1 (5.2-5.6)

VO

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(

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_l,'kg"_.. j _'min-') _{· 7!l.3±iU (H5-Bl.0) 13.0 ± 3.4 (69 .ô-7B.ll)}

V

ll (1'min~l)

lS9±N.Ô

(106-179) 1(19± 12.9 (129--160)

EcOfiOifi}' '\VJ ' rI) 91 ±6 (8Q...,97)

86±4

(82,-92)

Hellrt rate (healS' rnin~l) 189±5 (181-19<1) 1 9}±

9

( 171-198)

Ùlètate (mmol ' ri) IO.! ±2.6 (1.6-ht5) lO:6± lA (S.5-1:2 .6)

pH

7.2I±O.Q3 (1,27-7.15) 7.25 ±0.04 (7:.29-7.19)

NO!é; r~Y1U" =lfiaxlntal tlVfVcr(jul~)otlliÔz ... = JlI:ak lixl'Sen u~takci

V

E = peak \'cntilatiofl,d = etlttuiz.c.

t $ignificant dnrercnce bCl\\lccn tlloWltaÎ!l biker~ and rond cycli~w (P <::0.05).

% AbsQlute différence d 4 0.66 9'*

1.15

7 0.92 7* 1.14

7

0.5:2 li 0.94 0.16

5

0.22 l Q.Bl

2.4. La consommation maximale d'oxygène et le choix des protocoles

d' éval uation

La notion de consommation maximale d'oxygène (\/02max) a été définie pour la

première fois par Hill et Lupton (1923) dans les années 1920 comme le plus haut débit

auquel l'oxygène peut être prélevé et utilisé par l'organisme lors d'un exercice d'intensité

sévère. L'évaluation consiste à amener le participant au maximum de son \/02 suivant un

protocole continu (sans récupération) ou discontinu (avec récupération), maximal, à charge

croissante allant de 10

à

50 Watts par palier et avec des paliers d'une durée qui varie entre 1

et 5 minutes. Le choix du protocole varie suivant les spécificités de chaque discipline et les informations nécessaires pour élaborer un suivi de l'entraînement. En général, le choix de paliers de longue durée permet de suivre au mieux la cinétique de diffusion de la lactatémie

tout en favorisant l'obtention d'un état stable de la lactatémie (Astrand 1958), de

l'oxygénation musculaire, de la ventilation, de l'économie d'effort et du \/02 durant chaque

période d'effort et de récupération (Flandrois 1988). Pour ce faire, les évaluateurs utilisent de

longs paliers, de 4-5 min avec incrément d'environ 30 W, qui sont entrecoupés de périodes

cardiovasculaire et favorise une analyse plus fine de certaines altérations physiologiques,

telle l'oxygénation du muscle squelettique. Ce type d'évaluation permettrait de mieux

apprécier les charges de travail requises pour l'entraînement, en ciblant les paliers qui

démontrent de fortes dérives physiologiques, établissant ainsi des plages d'effort (zones) à améliorer chez le cycliste.

2.5.

Épreuve de puissance critique en 3 minutes ou test

«

3-min all-out

»

Astrand et Saltin (1961) ont montré qu'il est impossible de dépasser la valeur

maximale de V02 en augmentant l'intensité d'exercice lors d'un protocole incrémentaI. Ces résultats ont révélé que la cinétique du V02 était modifiée par l'intensité d'un exercice précédent, de sorte que plus celle-ci est élevée, plus le V02max est atteint rapidement. Pour autant, quelle que soit l'intensité d'exercice imposée, cette valeur maximale reste identique. Ceci avait été prédit par Hill et Lupton (1923), qui avaient conjecturé que « ... quelle que soit la vitesse ou la charge de travail imposée au-delà de cette limite, aucune augmentation

supplémentaire de la consommation d'oxygène ne peut se produire». Le test de puissance

critique en 3 minutes (PC3) constitue l'un des protocoles qui s'intègre dans cette logique où

l'effort supra-maximal déployé durant ce test faisait en sorte que la consommation d'02

augmentait très rapidement pour atteindre un pic de V02 qui se maintenait pendant les 60 dernières secondes de l'épreuve (Burnley et coll. 2006) (figure 2.1). Lors du test PC3, le

participant-doit développer un maximum de puissance et la maintenir durant 3 minutes sans

connaître la durée du temps écoulé. Il faut dire que le V02max n'est pas toujours observable lors de ce test, c'_{est pourquoi certains auteurs préfèrent mentionner un V02P}iC lorsque les critères de V02max (Rowell 1974) ne sont pas tous atteints à savoir: 1- un plafonnement (

-150 ml) du V02 même si la puissance de travail est augmentée, 2- un quotient d'échange respiratoire (RER) > 1,1, 3- une fréquence cardiaque ~ _{90% de la FCma}x estimée (220 - âge)

et 4- une lactatémie de plus de 8mM. Néanmoins, plusieurs études ont révélé que l'épreuve

Vanhatalo et coll. 2007; Williams et coll. 2005). Francis et coll. (2010) ont rapporté que des participants sains non entraînés étaient capables lors d'un test PC3 d'atteindre un

V0

2PiC dans les 60 premières secondes du test et de le maintenir pendant le reste de l'épreuve. Ceci confirme que le test PC3 permet d'atteindre un rendement énergétique maximal pour le système aérobie malgré une puissance de travail qui décline (Gastin et coll. 1995; Williams et coll. 2005). Une analyse de la variation de la puissance de travail a montré qu'à la fin du test PC3, la puissance décline en dessous de la PAM atteinte à la fin d'une épreuve classique de

V0

2max en rampe, tout en étant nettement plus élevée que la puissance associée au seuil ventilatoire. Il est par contre démontré que la puissance de travail reste peu variable durant les dernières 60 secondes d'un essai de PC3 (Burnley et coll. 2006). Burnley et coll. (2006) ont ajouté que la puissance finale (PF) qui est équivalente à la puissance moyenne des 30 dernières secondes du test PC3 estime la puissance critique (PC) et que le travail accompli au-dessus de la PF tout au long de la durée de ce test était égal au travail exécuté de façon anaérobie (W'). En effet, la confirmation vient dans l'étude de Johnson et coll. (2011) qui ont pu vérifier la reproductibilité du test PC3 à estimer la PC, le W' et le

V0

2PiC • Des analyses faisant le lien entre la puissance du test

V0

2max en rampe et celle du test PC3 faites par Francis et coll. (2010) ont montré que la PAM obtenue suite à un test

V0

2max en rampe correspond à 105% de la PC enregistrée lors du test PC3 et que 75% de la PC correspond au 2éme seuil lactique du test rampe.

'.$ '.0

0.5

().o·· .. mm_·~·~""'--'--r?_·?···_··~·.,-?-r~·-~-·-t~--··-",,"--~·~-l

o 20 40 fiQ 60 ,00 120 140 1fiQ tao

o T"",,(s)

Figure 2.1. (A) la puissance de travail et (B) la consommation d'oxygène au cours d'un test PC3 chez un sujet représentatif (Burnley et coll. 2006).

Les résultats (non publiés) d'une étude de cas réalisée par notre laboratoire, indiquent que les V02PiC obtenus lors des tests de PAM ou de PC3 étaient comparables, ils étaient respectivement égaux à 71,7 et 71,2 ml.min-1.kg-\ le test PC3 équivalant à 99% du V02max. Le pourcentage de la saturation en oxygène artériel (%Sp02) à V02PiC était aussi similaire pour des valeurs égales à 94% et 92% respectivement. Par contre, la fréquence cardiaque maximale (FCmax) enregistrée au test PC3 était plus faible de 12 bpm.

A

l'inverse, la lactatémie enregistrée à la fin du test PC3 était supérieure de 4,7 mM à celle constatée au test de PAM (tableau 2.3).

Tableau 2.3 Mesures des paramètres physiologiques d'évaluation à la fin des tests PAM et PC3. Variables Fin test 15 Fin test PC3 % de différence absolu

\I0 2PiC(ml,min-1.kg-1)* 71,70 71,20 0,71

FC (bpm) * 199 187 6,42

Lactate pic (mmol) 14,60 19,30 32,20

%Sp02 94 92 2,18

\102 : consommation maximale d'oxygène par minute par kg de poids, FC : fréquence cardiaque par minute, %Sp02 : saturation pulsée en oxygène.

2.6.

La Spectroscopie dans le Proche Infrarouge (SPIR)

Il est commun dans la littérature et lors de l'évaluation de sportifs de mesurer la consommation d'oxygène du corps en général à partir des échanges gazeux pulmonaires. Par contre, le travail musculaire et la consommation d'oxygène des membres inférieurs sont rarement évalués. L'évolution récente des instruments optiques utilisant la technique de la spectroscopie dans le proche infrarouge de l'hémoglobine (SPIR) permet d'évaluer de façon spécifique et non invasive l'oxygénation musculaire squelettique en temps réel. Chance et coll. (1992) ont été les premiers à étudier l'évolution de la consommation d'oxygène dans le muscle à l'aide du SPIR. Au cours de la dernière décennie, la SPIR a été largement utilisée pour évaluer les changements de l'oxygénation des muscles et du volume sanguin musculaire à l'effort (Bhambhani et coll. 2004; Perrey et coll. 2010; Rasmussen et coll. 2010). Les variations enregistrées lors de ces exercices physiques témoignent des

changements du rapport entre l'apport d'_{02 au muscle et l'utilisation de 1'02 par celui-ci} (Grassi et coll. 2003). Les paramètres couramment mesurés par SPIR sont l'oxyhémoglobine (Hb02), la déoxyhémoglobine (HHb), l'hémoglobine totale (THb) et l'indice de saturation tissulaire en oxygène (TSI%). Du point de vue technique, la SPIR est une méthode optique basée sur les propriétés d'absorption différentielle des chromophores (composés absorbant la lumière), à savoir l'hémoglobine (Hb) et la myoglobine (Mb) dans le proche infrarouge qui varie de 700 nm à 1000 nm (Maikala 2010).

A

760 nm, Hb et Mb se présentent sous la forme désoxygénée (respectivement HHb et" HMb), alors qu'à 850 nm ces chromophores se présentent principalement dans l'état oxygéné (respectivement Hb0₂ et Mb0₂). Ainsi, en surveillant la différence de la capacité d'absorption des tissus entre ces deux longueurs d'onde, le changement de l'oxygénation musculaire peut être examiné. La somme du signal d'absorption de ces deux longueurs d'onde indique la variation relative du volume sanguin musculaire qui est indépendante de tout changement des hématocrites (Chance et coll.

1992; Mancini et coll. 1994) (figures 2.2 et 2.3).

Les

di

fférentes zo

n

es d

u

s

p

ect

r

e

1

um

in

eux

250 i Ultraviolet 500 1000 2000 ---~r--

....

_____

I Visible Proche infrarouge

Figure 2.2. Spectre lumineux proche infrarouge.

Longueur d'ondes (nn )

4000 _t 8000 _,

Re-<:étVet

Rx

Tr

a

nsmi

tt

rs

Figure 2.3. Émission et réception du signal proche infrarouge à travers le muscle.

2.7.

L'oxygénation du muscle vaste latéral

à

l'effort

Bien que l'activité d'endurance aérobie soit généralement évaluée par la

consommation maximale d'oxygène (V02max), le seuil ventilatoire (Beaver et coll. 1986) ou le

seuil lactique (David 1985), il s'agit dans tous ces cas de variables métaboliques systémiques. Certains sports comme le cyclisme ou le vélo de montagne sollicitent principalement les membres inférieurs et la dynamique métabolique à l'intérieur du muscle pourrait ne pas être reflétée dans le métabolisme systémique. Les différences des

caractéristiques d'absorption de l'Hb02 et de l'HHb évaluées avec la SPIR se sont avérées

utiles pour estimer les variations relatives de l'oxygénation musculaire locale et le débit

sanguin en temps réel lors d'un exercice physique. Kawaguchi et coll. (2001) ont étudié la

relation entre la cinétique de l'oxygénation des muscles squelettiques et le volume d'oxygène

systémique lors d'un test incrémentai sur vélo ergométrique et ont observé une forte

corrélation positive entre le '102 et l'HHb et négative entre le '102 et l'Hb02 et le TSI%. De

même pour Grassi et coll. (1999) qui ont observé aussi une augmentation du HHb et une

diminution de l'Hb02 jusqu'à l'atteinte de V02max lors d'un exercice progressif en intensité

augmentation jusqu'à environ 50% à 60% du V02max , suivie d'une stabilisation ou d'un

abaissement jusqu'à ce que le V02max soit atteint. Ils suggèrent que cette diminution du

volume sanguin total est très probablement due à la variation relative de la pression intramusculaire supérieure à la variation de la pression intra-vasculaire ce qui entraîne une baisse du volume sanguin localisé. Dans ce même contexte, une analyse de la relation entre l'oxygénation du muscle et le seuil lactique (SL) a montré qu'une plus grande oxygénation du muscle était significativement associée au SL pendant l'exercice incrémentai sur vélo. D'autres études menées par Stringer et coll. (1994) et Wasserman et coll. (1991) expliquent qu'à des intensités supérieures au seuil ventilatoire (SV), l'accumulation d'acide lactique facilite la libération de l'oxygène de l'Hb02 par l'effet de Bohr. En effet, au-delà d'une certaine

intensité d'exercice, la baisse du pH, due à l'augmentation de la concentration des ions H+ facilite la libération de 1'02 de l'Hb02 , ce qui entraîne une désoxygénation accrue dont

témoigne la spectroscopie dans le proche infrarouge de l'hémoglobine (Grassi et coll. 1999). Récemment, Dupouy et coll. (2007) ont montré que l'évolution de la courbe de la désaturation musculaire en oxygène lors d'un test incrémentai présente des modifications de pente (D1, D2) qui correspondent aux modifications de concentration d'oxygénation locale. Ces .derniers finissent par conclure que l'utilisation de la spectroscopie dans le proche infrarouge permet de détecter le passage du métabolisme musculaire dans la zone transitionnelle aérobie-anaérobie en raison de la concordance qui existe entre la courbe de désaturation d'Hb02 et celle de la ventilation (figure 2.4).

HbOtlHbtot 0,6 0,5 0,4 60 65 70 75 R.'"O.900 02 85 90 95 100 VOtmax(%)

Figure 2.4. Évolution de l'Hb02/Hbtot en fonction de la puissance (%V02max). 01 et 02: points

d'inflexions de la désaturation capillaire artérielle correspondante à 70 et 90 % de V02max (Ou pouy et

coll. 2007).

2.8.

Réponse du réseau capillaire

à

l'entrainement et son effet sur

l'oxygénation du muscle vaste latéral

Le muscle squelettique chez des personnes entraînées se caractérise par une densification du réseau capillaire comparativement à des personnes sédentaires. En réponse à l'augmentation de la demande fonctionnelle, par exemple lors d'un programme d'entrainement en endurance, le réseau capillaire jouit d'une certaine plasticité liée à une augmentation du rapport entre le nombre de capillaires et le nombre de fibres (C/F), plasticité qui se traduit entre autres par la formation de nouveaux vaisseaux et l'augmentation du nombre de capillaires autour de chaque fibre musculaire. Cette adaptation constitue le principal mécanisme de développement du réseau capillaire

à

l'entrainement :

c'est l'angiogenèse (Andersen et coll. 1975; Brodai et coll. 1977) (figure 2.5). Il faut dire que, lors d'un exercice dynamique chez l'homme, le flux sanguin augmente linéairement avec l'élévation de la puissance imposée (Andersen et Saltin 1985). Comparé à l'état de repos, le flux sanguin peut être multiplié par 20 lors d'exercices d'intensité supérieure à 80% du

d'une augmentation de la densité des capillaires fonctionnels au sein de chaque fibre (Saltin et Gollnick 1983) et ceci facilite la captation de glucose et d'oxygène par la fibre musculaire. Par ailleurs, des études ont montré qu'il existe une forte relation linéaire entre la longueur des capillaires par unité volumique de fibre et la densité volumique de mitochondries responsables de la phosphorylation oxydante (Hoppeler et Kayar 1988) (figure 2.6).

L'ensemble de ces résultats conduit à dire que le degré de capillarisation du muscle est

essentiellement contrôlé par la demande en oxygène et ce, quel que soit le type de fibre concerné. Ceci est vrai dans le sens où cela présente l'une des propriétés les plus

indispensables à la distribution de l'oxygène et des substrats, mais aussi l'épuration des

déchets métaboliques (Vock et coll. 1996).

3

~

₂

1:: 0 C. 0.

**

en

₁

**

et::

0

Brodai et coll. Andersen

1977 1975

Figure 2.5. Réponses du réseau capillaire à l'entraînement. (B) le rapport capillaireslfibres. Valeurs différentes de celles mesurées chez les sujets sédentaires, *, p < 0,05, **, P < 0,01 (Andersen et coll. 1975; Brodai et coll. 1977).

A

o

6000 4000

B

A

diaphragme [J cœur • Muscle Iocomotwr veauo cheval 0,1 . bOvvllfoo ₂₀₀₀ 0,2

o

agouti y = 85,ô +1.t8·10")( tf;;(),73 0,3 0,4 0.5 0,1 0,2

Densité volumique mitochondriale (mm:).nim-l)

y~20S+ 1,13w_1Q4x

r2=O.90

0,3 0,4 0,5

Figure 2.6. Relations linéaires existant entre la densité volumique mitochondriale et la densité volumique des capillaires. (A) relations établies pour un même muscle entre différentes espèces de mammifères. (8) relations établies pour trois types de muscles au sein d'urie même espèce (Hoppeler et Kayar 1988).

3. PROBLÉMATIQUE

A

haut niveau, la performance sportive dépend en grande partie de la manière dont

l'athlète est encadré. L'évaluation sportive et le suivi scientifique des athlètes exigent une analyse précise de la discipline sportive en termes d'exigence physique mais aussi une meilleure connaissance du degré d'implication des filières énergétiques durant la

compétition. Ces paramètres constituent des éléments indispensables à la performance. En

vélo de montagne, en plus de l'aspect technique de la compétition, les exigences de la course imposent aux athlètes de fournir des efforts continus plus ou moins réguliers en plus du départ très rapide et exigeant. En effet, lors du départ, l'énergie est produite par une mobilisation du système énergétique anaérobie alors que, durant la course, elle est fournie par des systèmes énergétiques mixtes qui majoritairement impliquent le métabolisme

aérobie. De ce fait, l'évaluation des conditions physiques en vélo de montagne revient

à

évaluer les composantes des systèmes énergétiques aérobie et anaérobie. D'habitude, ce processus exige l'utilisation de deux tests qui mesurent de façon spécifique et indépendante ces deux composantes. Il faut dire que cette tâche n'est pas toujours facile avec les athlètes de haut niveau vu qu'ils ne peuvent pas se présenter plusieurs fois au laboratoire. Souvent

ces derniers proviennent de régions éloignées en plus d'être couramment à l'extérieur du

pays. De plus, leur plan d'entraînement très chargé ne le permet tout simplement pas. De ce

fait vient l'intérêt de trouver un test qui puisse mesurer à la fois les deux composantes des

systèmes énergétiques aérobie et anaérobie. Des études récentes ont présenté le test de puissance critique de 3 minutes comme moyen fiable et efficace pour l'évaluation de ces

deux composantes. Ce test permet d'apprécier le V02PiC et la puissance critique (PC) deux

composantes qui caractérisent le système énergétique aérobie, en plus de la puissance pic (Ppic) et du travail exécuté de façon anaérobie (W') deux composantes qui caractérisent le

intéressée à vérifier ces mêmes paramètres chez des athlètes élites, ce qui constitue l'apanage de cette étude.

D'autre part, ces dernières années, un grand intérêt est apparu pour l'utilisation de la spectroscopie dans le proche infrarouge SPIR comme outil de mesure de l'activité métabolique du muscle squelettique (Chance et coll. 1992). Cette mesure est basée sur les variations de concentrations tissulaires en hémoglobine oxygénée ou non oxygénée et du débit sanguin à l'intérieur du muscle squelettique en réponse à un exercice physique. Cette technique offre la possibilité de suivre la dynamique de l'oxygène à l'intérieur du muscle en activité et lors de la récupération et ainsi de mesurer les variations de l'oxygénation musculaire. Plusieurs études ont examiné la réponse de l'oxygénation du muscle vaste latéral et la variation de sa concentration en hémoglobine pendant l'exercice incrémentai jusqu'à l'arrêt volontaire suite à une fatigue accrue (Bhambhani et coll. 1997; Grassi et coll. 1999; Legrand et coll. 2007). Cependant, à ce jour, aucune étude ne s'est intéressée à évaluer l'oxygénation et le débit sanguin du muscle vaste latéral lors du test PC3 et à vérifier s'il est possible d'extraire plus d'oxygène ou de perfuser plus de sang, en comparaison à un test incrémentai classique qui mesure la consommation d'oxygène.

Le but de ce mémoire est d'une part de caractériser les réponses cardiorespiratoires, les puissances de travail déployées, l'extraction et le transport d'oxygène dans le muscle vaste latéral durant un test de PC3 chez des vététistes élites. D'autre part, de déterminer si au cours du test PC3, le muscle squelettique aura la capacité d'extraire plus d'oxygène et de mobiliser un plus grand débit sanguin en comparaison à un test de PAM. En outre, de vérifier si des efforts supra-maximaux auront pour effet une réduction accrue de l'indice de saturation tissulaire en oxygène (TSI%) dans le muscle vaste latéral.

4. QUESTIONS DE RECHERCHE

1. Lors d'un test supra-maximal (PC3), est-il possible d'atteindre des valeurs

physiologiques maximales équivalentes ou supérieures à celles obtenues lors d'un test de

puissance maximale aérobie (PAM) chez des cyclistes élites?

2. La puissance supra-maximale enregistrée lors du test PC3 favorisera-t-elle un plus grand débit sanguin et une plus grande extraction d'oxygène musculaire par rapport aux valeurs enregistrées lors du test PAM ?

3. Un effort supra-maximal pourrait-il induire une plus grande réduction de l'indice de saturation tissulaire en oxygène (TSI%) dans le muscle vaste latéral?

5. HYPOTHÈSES DE RECHERCHE

Nous émettons l'hypothèse que lors d'un test PC3, il est possible d'atteindre un VÛ2PiC

comparable à celui obtenu lors d'un test PAM chez des cyclistes élites en vélo de montagne.

Nous émettons aussi l'hypothèse que l'extraction de l'oxygène et le débit sanguin dans le

muscle squelettique ne seront pas plus élevée lors d'un test supra-maximal en comparaison

à un test de puissance aérobie maximale. De plus, nous supposons que la dynamique de

l'évolution du débit sanguin dans le muscle squelettique sera inversement corrélée au

développement de la puissance de travail supra-maximale enregistrée lors du test PC3.

Nous présumons aussi que des efforts supra-maximaux auront pour effet de réduire l'indice

6. ARTICLE

The near infrared spectroscopy (NIRS) applied to a 3-min

all-out test and its physiological concomitants in elite cyclists'

evaluation.

H. Ziadia

1,

L.

Laurencelle 1, V. Cantin

1,

D. Welman2,

1.

Hugues3 and C. Lajoie 1*

1 Département des sciences de I"activité physique de l'UQTR, 2 Entraîneur de

l'équipe du Québec de Vélo de Montagne, 3 Entraîneur National de

Développement de Vélo de Montagne.

* Corresponding author: Claude Lajoie, Université du Québec à Trois-Rivières, Québec, G9A 5H7.

Département des sciences de l'activité physique.

6.1. Abstract

Background: The practice of competitive mountain biking (MTB) requires a physical effort that vary power (Watts) and solicit multiple energy systems. The 3-min all-out test of Burnley et al. (2006) assesses V02peak and critical power (CP) which characterize the aerobic energy system. The test also assesses peak power (Ppeak ) and anaerobic capacity (W') allowing to evaluate the power and capacity of the anaerobic system. Hence, compared to traditional maximal aerobic power tests (MAP tests); the 3-min ali-out test would better appreciate the physical abilities of elite cyclists. Previously, researchers have investigated on the pulmonary oxygen kinetics, lactate threshold and critical power during the 3-min ali-out test. However, it is possible that the metabolic dynamics in the muscle stays not reflected in the systemic metabolism. That is why the oxygen flow in the skeletal muscle during a supra-maximal effort needs yet to be studied. The 3-min ali-out test could be a valuable laboratory test that mimics the skeletal muscle oxygen behavior at the start of a MTB race. Using near infrared spectroscopy (NIRS) and monitoring deoxyhaemoglobin (HHb) or oxygen extraction, oxyhaemoglobin (Hb02 ), total

haemoglobin (THb) or muscle blood flow and tissue saturation index (TSI%), it becomes possible to better understand oxygen kinetics in the skeletal muscle.

Objectives:

The purpose of our study is to characterize of the cardiorespiratory responses, the deployed working power, extraction and transportation of oxygen in the vastus lateralis muscle throughout 3-min ail out and MAP tests. Determine whether skeletal muscle has the ability to extract more oxygen and to use an increased blood flow in comparison with MAP during a 3-min ali-out test. Finally, determine if a supra-maximal effort reduced tissue oxygen saturation index (TSI%) in the muscle.

Methods:

Six U23 world class elite competitive mountain bikers and two road cyclists (age 21 ± 2.6 years, height 178.6 ± 7.03 cm, weight 68.04 ± 5.03 kg,

percentage of body fat 7.19 ± 3.23 and V02peak 72.01

±

3.7 mLmin-1.kg-1) achieved a

MAP test and a 3-min ali-out test during a single presence using their own bicycles and a power-measuring rear wheeL The goals of the MAP test was to determine the maximal oxygen consumption (V02max) and the maximal aerobic power (MAP) in watts.

The protocol was progressive by increasing the load with 30 Watts through levels of effort lasting 5 minutes, interspersed with 3-minute periods of recovery using a low load (1 watt/kg of body weight) until exhaustion. The 3-min ali-out test ai ms at determining the peak power (Ppeak ), the anaerobic capacity (W') and the critical power (CP). During the

3-min ali-out test, cyclists were instructed to develop the greatest pedaling speed to achieve the highest possible work rate throughout the test. Pedaling power, V02,

ventilation and lactate were measured. Deoxyhaemoglobin (HHb), TSI% and an indirect measurement of muscle blood flow (THb) were measured by near-infrared spectroscopy (NIRS) during both tests.

Results: During the 3-min ali-out test, V02 reached 95% of its value at 53.33

±

8.16 seconds from the start of the test. V02peak was reached at 147.5 ± 36.6 seconds and

was equivalent to 96.57% of the V02peak obtained during the MAP test, representing a

difference of 3.43%. V02peak measured during the 3-min ali-out test (69.54 ± 5.46

mLmin-1.kg-1) and during the MAP test (72.01 ± 3.68 mLmin-1.kg-1) were equivalent (p ~ 0.20). The Ppeak reached during the 3-min ali-out test was equal to 846.3 ± 175.4 W: about

228.49% of the MAP. The CP was equal to 351.1 ± 59.62 W: equal to 93.63% of the MAP (375

±

44.16 W). No significant difference between the CP and MAP was observed (p = 0.08). The anaerobic capacity (W') evaluated during the 3-min ali-out test was equal to 18.307 ± 3.71 KJ. A strong correlation was recorded between Watts/body weight observed during the MAP test and W'/body weight during 3-min ali-out test (r = 0.886; P < 0.05). Ali the parameters measured by NIRS during 3-min ali-out test did not reach a

higher level than what was recorded during the MAP test, in spite of the supra maximal power output deployed during the 3-min ali-out test. However, an opposite variation between the THb and the pedaling power was observed during the 3-min ali-out test Le. an increase of the pedaling power was associated bya decrease of THb and vice versa (r = -0.99; P <0.001) suggesting that skeletal muscle vasoconstriction occurs at higher power outputs.

Conclusion: ln the case of elite cyclists, the cardiorespiratory and muscular oxygenation parameters reached during a 3-min ali-out test were similar to those recorded during a MAP test. More expeditious than traditional tests, the 3-min ali-out test allow not only the estimation of MAP, but also the quantification of the anaerobic work to better understand the strengths and weaknesses of an athlete. In addition, the 3-min all-out test can be a consistent tool for the prediction of the performance. Furthermore, the dynamics of the evolution of blood flow in skeletal muscle was inversely correlated with the supramaximal work power development recorded during the 3-min ali-out test.

6.2. Introduction

Competitive cross country mountain biking requires technical skills combined with varying efforts intensity. During a mass-start mountain bikes' race, cyclist must develop a powerful start in order to lead out the race after which they can betler control the race out of the single track traffic with a high percentage of the maximal aerobic power (MAP). During the competition, cyclists must generate quick supra-maximal efforts bouts during steep climbing or technical part interspersed with lighter downhill efforts. In order to better evaluate physiological strength and weakness, cyclist should go through two tests that measure specifically and independently the components of the aerobic and the anaerobic systems. Therefore, using a single test to evaluate simultaneously the aerobic and the anaerobic energy systems could be less time consuming and easily administrated in a laboratory and field testing. The 3-min ali-out test developed by Burnley et al. (2006) accomplishes these requirements since it allows to study two of the parameters that characterize the aerobic energy system: the \/02peak defined as the highest

\/0

2 measurement obtained during a maximal effort, regardless of its conditions (Rowell, 1974) whereas the critical power (CP) is defined as the power at which the aerobic system fully meets the energy demand while working at its maximum (Morita ni et aL, 1981). In a 3-min ali-out test, the CP is equal to the average power in the last 30 seconds of the test (Burnley et aL, 2006, Johnson et aL, 2011; Vanhatalo et aL, 2007). Moreover, the 3-min ali-out test allows to evaluate the peak power (Ppeak) and the anaerobic capacity (W'). The Ppeak is the highest power recorded during, a maximal or supra-maximal physical test, while the anaerobic capacity (W') is the work performed anaerobically which corresponds to the anaerobic capacity. A large body of related work is interested in this test (Dupouy et aL, 2007; Grassi et aL, 1999; Kawaguchi et aL, 2001). The test minimizes the number of athletes' visits to the laboratory and assesses the components of the aerobic and the anaerobic systems with precision. Reliability of the 3 min ail out test has been

and \/02peak (Johnson e aL, 2011).

Of late in optical instruments using the technique of near-infrared spectroscopy of hemoglobin allow a specifie and non-invasive assessment of muscle oxygenation in real time (Chance et aL, 1992). This technique allows non-invasive measurement of the transformation of oxygenated state of hemoglobin (oxy-hemoglobin Hb02) to the deoxygenated state (deoxy-hemoglobin HHb). This measurement allows monitoring the dynamics of oxygen inside the active muscle. Several studies have examined the response of oxygenation in the vastus lateralis muscle and the variation of its hemoglobin concentration during exercises with varying intensity until exhaustion (Bhambhani et aL,

1997; Grassi et aL, 1999; Legrand et aL, 2007). Typically, studies that measured the

variation of skeletal muscle oxygenation were carried out during exercise whose intensity does not exceed the maximum aerobic power (MAP). It is generally accepted that the variation of oxygenation and blood volume of the vastus lateralis muscle measured by NIRS can accurately follow variations of pulmonary oxygen uptake (\/02) at intensity values below and above the lactate threshold of 4 mM with subjects whose \/02max are lower than 60 mLmin-1.kg-1 (Belardinelli et aL, 1995; Bhambhani et aL,

1997; Grassi et aL, 1999; Legrand et aL, 2007). However, the nature of many

competitive sports su ch as mountain biking requires the development of work power which is regularly above the MAP. However, to date, no study has focused on assessing the oxygenation and the variation of blood flow in the vastus lateralis muscle during a supra-maximal test, compared to a conventional incremental test that measures maximal aerobic power with elite athletes.

The objectives of this study are three fold:

1. Characterize the cardiorespiratory responses, the deployed work power, the extraction and the transportation of oxygen in the vastus lateralis muscle during a 3-min ali-out test in elite cyclists.

2. Determine whether the skeletal muscle has the ability to extract more oxygen and to mobilize a greater blood flow in a 3-min ali-out test or not, compared to a traditional MAP test.

3. Verify if supra-maximal efforts can result in a further reduction of the tissue saturation index in oxygen (TSI %) in the vastus lateralis muscle.

6.3.

Materials and methods

6.3.1. Participants

Six male cyclists U23 from « Quebec MTB team », ail active members in the International Cycling Union (ICU) for the current year and ail participants in the World Championships in Champery, Switzerland (2011) and two well-trained road cyclists participated in this study. Participants physical characteristics are the following (mean ±

SD): age 21.25

±

2.55 years, height 178.6

±

7.03 cm, weight 68.04

±

5.03 kg, percentage of body fat 7.19 ± 3.23% and

V0

2max 72.01 ± 3.68 ml.min

-1

.kg-1. Participants

volunteered to participate to the study and provided written informed consent. The study was approved by the University Ethics Committee.

6.3.2. Experimental Protocol

Each participant made a single visit to the laboratory to perform primarily a MAP test and secondly a 3-min ali-out test. During the experiment, the ambient temperature in the laboratory was about 21 ± 10

, the pressure was about 101 ± 1 hPa and the humidity was about 24 ± 3%. A recovery of 30 minutes was given between the two tests after which they proceeded to do a lactate test to ensure that the lactate was weil below the 1st lactate threshold of 2 mM before starting the second test of the study (a 3-min ali-out test). The choice to do both tests in one day was due to the fact that it was not possible to invite athletes on two different days since their training schedule was very busy, their racing's dates were very close, and of course their hometowns are distant from the laboratory. Such a protocol was verified during the study of Constantinin et al.

(2014) who showed that the CP and the W' recorded during the 3-min ali-out test

following a combined protocol (a MAP test followed bya 3-min ali-out test between which

they gave 20 minutes of recovery) were not different to those recorded during an

independent 3-min ali-out test. However, such a study design has its advantages

because it allows to keep the same positioning of the equipments (NIRS) and the

baseline monitoring for both tests. This will promote greater fidelity while comparing

results between tests and minimize errors related to the positioning and the sizing of

equipment.

6.3.3. Equipments

Each participant performed the tests on their own bike connected to an

electromagnetic dynamo (Racermate, ComputrainerLab, Seatle, WA, US) that manages

the test conditions and makes it reproducible. These equipment have been validated in

studies evaluating cyclists' performance (Cane et aL, 1996; Laursen et Penkins, 2002;

Westgarth-Taylor et aL, 1997; Weston et aL, 1997). The bike was equipped with an

instrumented wheel that records the power output «PowerTap » (CycleOps PowerTap

SL 2.4) related to a data processing software (Training Peak, WKO+ 3.0). In both tests,

the measurement of oxygen consumption and ail maximal and submaximal variables

were averaged every 10 seconds and determined by analysis of pulmonary gas

with a metabolic analyzer (Moxus, AEI technologies USA).The HR was continuously

recorded using a telemetry heart rate monitor (Polar Electro FS3, Finland). A capillary

blood sample was taken from the fingertip to measure the lactate using an appropriate

device (Slood Lactate Test Meter, Lactate Pro LT-1710, ARKRAY. Inc, Kyoto, Japan).

Oxygen extraction and the estimate variation of peripheral blood flow in the vastus

lateralis (VL) muscle were measured non-invasively using the near infrared spectroscopy

(NIRS) by telemetry (Artinis Medical System SV, Portamon: 0910, PortaSoft : 2.0.1.21,